Предмет "Труд (Технология), модуль «Производство и технологии», презентация по теме "Биотехнологии в решении экологических проблем", 8 класс

Модуль « Производство и технологии»

Биотехнологии

в решении

экологических

проблем

8 класс

Цели урока:

• познакомить учащихся с терминами «Экологический кризис», «Загрязнение природной среды», «Биотехнологии», с историей развития биотехнологий;
• научить различать основные направления биотехнологий в решении экологических проблем;
• формировать практические навыки различия различных видов биотехнологий для решения экологических проблем;
• воспитывать усердие и аккуратность в работе.

В настоящее время человечество стоит перед проблемой экологического кризиса (среда обитания оказывается непригодной для жизни людей). Экологический кризис - это напряженное состояние взаимоотношений между человеком и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы.

Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов, так и в результате хозяйственной деятельности человека.

Факторы, влияющие на окружающую среду:

• производство минеральных удобрений - связано с большим потреблением энергии;
• создание больших животноводческих комплексов загрязняет атмосферу веществами с неприятным запахом и патогенными микроорганизмами, почву — сорняками, водоемы — патогенными микроорганизмами и гельминтами;
• интенсификация сельскохозяйственного производства связана с ирригацией (или орошением) — искусственным подводом воды к объекту, что потребует дополнительных источников пресной воды, а также увеличивает угрозу загрязнения водоемов;
• индустриализация хозяйства требует увеличения потребления энергии, превращения сельскохозяйственных угодий в дороги, строительные площадки, а также строятся крупные заводы, выбрасывающие в атмосферу и водоемы вредные вещества;
• усиление вырубки леса ;
• строительство гидроэлектростанций связано с затоплением сельскохозяйственных угодий, уменьшением рыбных ресурсов, ухудшением самоочищения воды;
• твердые и жидкие отходы - ежедневно каждый городской житель в среднем выбрасывает 2—3 кг различных отходов, половина которых — бумага и упаковочные материалы;
• промышленные сточные воды : за последние 100 лет промышленность выбросила в окружающую среду более 1,5 млн т мышьяка, 1,0 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, 600 тыс. т цинка, 125 тыс. т ртути и др.
• химизация сельского хозяйства: в водоемы попадают в больших количествах пестициды, гербициды, дефолианты, антибиотики, дезинфицирующие средства, азотистые и фосфорные соединения.
• энергетика и транспорт загрязняют среду нефтепродуктами.

Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.

Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выбросами, водоемы — стоками, которые содержат большое количество вредных, а иногда и сильно ядовитых веществ, от которых страдают фауна и флора. Эти вещества через растения и животных поступают в пищу человека. Химизация сельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению почвы, водоемов, воздуха, пищевых продуктов.

Именно разработка и применение биотехнологических методов могут помочь в оздоровлении и защите окружающей среды.

Основные биотехнологические методы, которые могут быть применены для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для обеспечения экологически чистого производства на самих биотехнологических предприятиях:

• создание безотходных технологических процессов;
• создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и животных;
• создание растений, устойчивых к болезням и вредителям;
• бактериальные удобрения и стимуляторы роста растений;
• создание культурных растений, способных фиксировать атмосферный азот без участия микроорганизмов;
• получение из отходов полезных продуктов или обезвреживание их;
• средства для диагностики, иммуностимуляторы, вакцины, антибиотики и др.;
• получение культурных растений, при возделывании которых отпадает необходимость использования ядохимикатов;
• специальные микробиологические или другие биологические препараты селективно уничтожают вредных насекомых, грызунов или возбудителей болезней;
• усиление биологической фиксации атмосферного азота, мобилизации фосфора; ускорение роста органов растений; снижение потребности в минеральных удобрениях;
• перенос методами генетической инженерии в геном растений генов от микроорганизмов, определяющих фиксацию азота;
• аэробная биологическая очистка стоков.

ГЛОСАРИЙ

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения.

Биотехнология - это производство, основанное на последних достижениях современной науки: генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии, химии антибиотиков, комбинаторной химии.

Экологическая биотехнология — это специальное применение биологических систем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования

Современные биотехнологии защиты окружающей среды , основаны на применении биопрепаратов, в состав которых входят разнообразные бактерии (микроорганизмы), способные разлагать различные органические вещества, в том числе и те, которые загрязняют окружающую среду.

Микроорганизмы - это удивительные и самые многочисленные обитатели нашей планеты, обладающие уникальными свойствами. Среда обитания их охватывает весьма широкие зоны биосферы, зачастую с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Их повсеместное распространение обусловлено небольшими размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, а также высокой устойчивостью к экстремальным факторам среды. Обладая высокой химической активностью, они способны к разложению органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения. Именно на этих уникальных свойствах микроорганизмов базируется применение биотехнологии, как эффективного способа защиты и восстановления окружающей среды.

Основные направления использования биотехнологий

Сельское хозяйство: разработка биопестицидов и биоудобрений для снижения химической нагрузки на почву.

Управление отходами: переработка твердых бытовых отходов и создание биоразлагаемых пластиков.

Очистка окружающей среды (биоремедиация): использование микроорганизмов для разложения токсичных отходов, нефтепродуктов, тяжелых металлов и бытовых сточных вод.

Экологичная энергетика: получение биотоплива, которое снижает выбросы парниковых газов.

Фиторемедиация: применение растений для очистки почв и воды от загрязнений.

Направление «Биоремедиация (очистка среды)»

- это использование живых организмов для удаления или нейтрализации загрязняющих веществ из почвы и воды.

Очистка нефтеразливов: использование специфических бактерий (например, рода Alcanivorax), которые «поедают» углеводороды, расщепляя нефть на безвредную воду и углекислый газ.

Фиторемедиация: посадка определенных растений (подсолнечник, ива, горчица), которые способны вытягивать тяжелые металлы (свинец, мышьяк) из почвы и накапливать их в своих тканях для последующей утилизации.

Микоремедиация: использование грибниц (мицелия) для разложения токсичных химикатов и пестицидов.

Направление «Переработка отходов и биопластик»

- традиционный пластик разлагается столетиями, биотехнологии предлагают альтернативу.

Биоразлагаемая упаковка: создание полимеров из кукурузного крахмала или сахарного тростника (PLA-пластик), которые полностью разлагаются в компосте за несколько месяцев.

Пластикоядные ферменты: ученые вывели ферменты (например, из бактерии Ideonella sakaiensis), которые способны «переваривать» ПЭТ-бутылки, превращая их в исходное сырье для нового производства.

Вермикультивирование: использование калифорнийских червей для переработки органических отходов в высококачественное удобрение (биогумус).

Направление «Энергетика и сельское хозяйство»

- снижение углеродного следа и замена химии биологическими решениями.

Биотопливо третьего поколения: выращивание микроводорослей, которые поглощают и вырабатывают липиды, пригодные для создания биодизеля и авиационного топлива.

Биопестициды: использование природных врагов вредителей (бактерий или вирусов) вместо агрессивных химикатов, что сохраняет экосистему и здоровье почвы.

Биосенсоры: генетически модифицированные организмы, которые начинают светиться при обнаружении токсинов в воде, работая как живые датчики загрязнения.

Значение биотехнологий в решении проблем экологии

• Разработка новых методов очистки загрязнённых вод и почвы, а также для уменьшения вредных атмосферных выбросов.
• Создание биоразлагаемых составов и материалов, которые могут заменить традиционный пластик.
• Производство экологичного биотоплива, которое может стать выгодной альтернативой привычным источникам энергии, таким как нефть и газ.
• Разработка и применение новых способов биологического контроля вредителей, для снижения использования пестицидов и гербицидов.
• Применение зелёных технологий при выращивании растительных культур, что позволяет сокращать или вовсе исключать химические удобрения, вредные отходы и выбросы.
• Восстановление разрушенных биоценозов, восстановление популяций исчезающих видов или акклиматизация растений и животных в новых местах обитания.

Утилизация и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов

• вермикультура (от латинского vermi - червь) - использование дождевых червей для переработки органических отходов;
• использование выведенного селекционным путем навозного червя, который имеет высокую плодовитость, не имеет инстинкта покидать свое местообитание при неблагоприятных условиях среды, адаптирован к переработке специфических субстанций органического происхождения: навоз и помет сельскохозяйственных животных, отходы мясокомбинатов, рыбоперерабатывающей, целлюлозной промышленности, овощей и фруктов, бумага, картон, опилки, осадки городских и производственных очистных станций.

Биологическая рекультивация

• искусственное создание растительных покровов различного вида для механической подготовки поверхностного слоя почвы, внесение в нее удобрений, посев многолетних трав;
• используются микроорганизмы, разрушающие нефть и нефтепродукты, а также биокомпосты и нефтесорбенты. В качестве доступного сорбента могут быть использованы рисовая шелуха, разнообразные растительные отходы сельского хозяйства, пищевой и деревообрабатывающей промышленности (лом древесноволокнистых плит, опилки, шелуха овса, гречки, куриные перья и др.), поскольку они являются весьма дешевыми и доступными.

Биотехническая очистка почв от нефти и нефтепродуктов

• решена разработчиками средства биологической очистки почвы и воды Микрозим (tm) Петро Трит. Внесение в загрязненный нефтью участок почвы или воды специально выделенных из почвы и селекционированных микроорганизмов размноженных в форме готового к использованию биопрепарата, обеспечивает интенсификацию микробиологической активности почвы и воды по разрушению углеводородов нефти в десятки раз, что позволяет в предельно сжатые сроки нейтрализовать нефть как опасный загрязнитель, превратив ее в безвредные для окружающей среды продукты жизнедеятельности бактерий - СО2, Н2О, летучие вещества.

Биотехнология очистки выбросов в атмосферу

• это современная и экологически безопасная альтернатива традиционным методам (таким как сжигание или адсорбция углем). В основе лежит способность микроорганизмов поглощать и расщеплять загрязняющие вещества, превращая их в безвредные продукты: воду (Н2О), углекислый газ (CO2) и биомассу.

Биотехнология очистки стоков

• фиторемедиация - использование генетически модифицированных (ГМО) растений для очистки сточных вод (хотя многие растения справляются с очисткой естественным путем, ученые модифицируют их, чтобы повысить устойчивость к токсинам и скорость переработки веществ);
• чаще всего используют:
• ряска (Lemna minor): способна поглощать фосфаты и нитраты, её часто модифицируют для связывания тяжелых металлов.
• эйхорния (Водяной гиацинт): генетическая адаптация помогает ей выживать в экстремально загрязненных промышленных стоках.
• тростник и рогоз: их корневая система идеально подходит для создания симбиоза с бактериями, расщепляющими органику.
• тополь и ива: применяются для «осушения» и очистки стоков с высоким содержанием пестицидов или растворителей.

Биодеградация токсичных веществ, компостирование

• перед транспортировкой твёрдых отходов на свалку они могут быть подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению, что может сильно влиять на катаболические процессы в твёрдых отходах; для традиционного типа свалки можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.
• компостирование – это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности.

Биоочистка и детоксикация отходов

• биоочистка - удаление посторонних или вредных агентов из вод и почв с помощью живых организмов, способствующих фильтрации и(или) разложению этих примесей, восстановлению первичных свойств среды;
• наибольшее распространение получил аэробный метод ( сложная органика, в частности – жиры, разлагается на более простые; далее, на аэробной стадии, они окисляются в нитраты при помощи микроорганизмов);
• двухступенчатые биологические системы обработки сточных вод обеспечивают более глубокую очистку вод, нежели одноступенчатые;
• для очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества разработан метод с использованием биокоагулянта – раствора трехвалентного железа в культуре Thibascillus Ferrooxidans;
• детоксикация отходов - освобождение их от вредных компонентов на специализированных установках.

Биоремедиация. Биовыщелачивание

• биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов;
• биоремедиация - одна из способностей природы к самоочищению окружающей среды под воздействием антропогенных загрязнителей;
• в настоящее время биоремедиционные технологии основаны на механизмах и потенциалах почти всех видах жизненных форм, то есть растений (фиторемидиация), микроорганизмов (микробная ремидиация) и животных (зооремидиация).

Отрасли, выигрывающие от использования методов биотехнологии:

– химическая промышленность : использование биокатализаторов для синтеза новых соединений, уменьшения количества побочных продуктов и повышения степени очистки продукции;

– производство пластмасс : снижение количества используемой для производства пластмассы нефти за счет перехода на экологически чистую пластмассу, изготавливаемую из сельскохозяйственного сырья: кукурузы или сои;

– бумажная промышленность : повышение эффективности производственного процесса, в том числе за счет ферментов, снижающих количество токсичных побочных продуктов;

– текстильная промышленность : снижение образования токсичных побочных продуктов. Повышение качества фабричных детергентов за счет добавления ферментов;

– пищевая промышленность : улучшение процессов хлебопечения, использование получаемых с помощью ферментации консервантов и методов анализа безопасности продуктов питания;

– промышленное животноводство : использование ферментов для повышения усвояемости питательных веществ и снижения выделения соединений фосфора в окружающую среду;

– энергетическая промышленность : использование ферментов для создания экологически чистого топлива из сельскохозяйственных отходов .